Дэвид Боданис - E=mc2. Биография самого знаменитого уравнения мира
С. 28 «Да, наверное…»: Боюсь, что и это апокриф. С уверенностью можно сказать лишь, что Максвелл любил подшучивать над своей склонностью к точности, и что, будучи студентом Кембриджа, он, к немалому удивлению своих однокашников, экспериментировал с попытками не ложиться спать до самого позднего часа. См, например, Goldman, «Demon in the Aether»[43], p. 62.
С. 29 «Они никогда не понимали меня, зато я…»: Ivan Tolstoy, «James Clerk Maxwell: A Biography»[44] (Edinburgh: Canongate, 1981), p. 20.
С. 29 «Продолжая исследования…»: «Treatise on Electricity and Magnetism»[45], James Clerk Maxwell (Oxford: Clarendon Press, 1873); предисловие Максвелла к первому изданию, c. x.
С. 29 Когда луч света отправляется в путь…: Обычный язык по природе своей оказывается здесь неточным, ибо то, что мы действительно описываем, суть свойства электрического и магнитного полей, указание на то, что «могло бы» произойти в любом наперед заданном месте. Сослагательное наклонение грамматики, и в особенности условное сослагательное, позволяет подойти к соответствующей идее поближе: вы, быть может, и не в состоянии указать, что происходит прямо сейчас на конкретном уличном углу бандитского района, однако способны сказать, что может произойти, если на этот угол забредет турист с «Ролексом» на запястье. В случае физики, вспомните некогда виденное вами расположение железных опилок вокруг стержневого магнита. А затем уберите опилки и запишите на месте каждой число или группу чисел, которые говорят вам о том, как, скорее всего, поведут себя опилки, снова сюда помещенные.
Для человека, который не видел, с чего вы начали, записанное вами было бы всего лишь перечнем чисел. Для того же, кому известно, как магнит располагает вокруг себя железные опилки, ваш список оказался бы ярким описанием этой его способности, — а для Максвелла и Фарадея с их религиозными верованиями он стал бы прямым представлением священной силы, которая и создала это поле.
С. 29 Электричество и магнетизм «во взаимных объятиях»: Для создания волны особой мощи не требуется. Нажмите на клавишу пианино и соответствующая струна просто начнет колебаться, оставаясь во всех иных отношениях неподвижной, между тем как «рисунок» ее колебаний будет перемещаться в пространстве, перенося звук. Между двумя людьми, оказавшимися в коридоре в нескольких метрах один от другого, могут располагаться сотни галлонов воздуха, и все же, для того, чтобы поздороваться, вдыхать весь этот воздух им не обязательно. Каждому хватит небольшого глотка, который затем вырвется из его гортани, создав в воздухе волну сжатия, которая и сделает все, что требуется.
Со световыми и электромагнитными волнами дело обстоит, вообще говоря, примерно так же. Включите зажигание вашей машины, и свеча зажигания пошлет содержащую несколько частот электромагнитную волну, которая пройдет сквозь окружающий ее металл и достигнет орбиты Луны через две секунды после того, как вы услышите заработавший двигатель; продолжая двигаться дальше, эта волна спустя несколько часов пройдет расстояние, отделяющее вас от Юпитера.
С. 29 …уравнения Максвелла…: Проделанная Максвеллом работа была колоссальным достижением — и стала бы еще более колоссальным, если бы он сам записал четыре уравнения, которые носят его имя. Однако Максвелл этого не сделал. И вопрос был не только в изменении обозначений, поскольку даже те тонкие эффекты, к которым впоследствии присмотрелся Герц, а это и привело к пониманию того, что радио волны могу излучаться и приниматься подобно световым, в уравнениях самого Максвелла прочувствованы не были.
История о том, как через два десятка лет после смерти Максвелла группа, ядром которой были три физика из Англии и Ирландии, в конце концов, вывела уравнения Максвелла, исчерпывающе излагается в книге Bruce J. Hunt, «The Maxwellians»[46] (Ithaca, N.Ґ.: Cornell University Press, 1991).
С. 30 …быстрее не способно двигаться ничто…: Или более точно, ничто, начинающее со скорости меньшей скорости света, не способно закончить тем, что будет двигаться быстрее него. Но что если бы существовали частицы — или, возможно, целый параллельный мир — находящиеся по другую сторону светового барьера? Это выглядит научной фантастикой, однако физики давно уже научились сохранять непредвзятость. (Эти постулированные сверхсветовые частицы Джеральд Фейберг назвал тахионами.) Еще одна оговорка состоит в том, что мы обсуждаем скорость света в вакууме, — в других средах свет распространяется медленнее. Потому и сверкают бриллианты — свет, скользящий по их поверхности, движется быстрее, чем тот, что проникает внутрь них.
Существуют и исключения более значительные — связанные с воздействиями искривленного пространства-времени на относительные скорости; возможны такие эффекты, связанные с отрицательной энергией, а кроме того, получены интригующие результаты, касающиеся импульсов света, скорость которых превышает нашу «с» (пусть даже движение их происходит таким образом, что никакой добавочной информации они переносить не могут). Однако все это выводит нас за пределы технического уровня этой книги. Подозреваю, что ученые будущего будут оглядываться на нас и дивиться тому, что мы вообще принимали эту оговорку всерьез — или что нам понадобилось столь долгое время, чтобы понять: существует простой способ, который позволяет быстренько открыть новый «Диснейленд» в туманности Андромеды.
С. 31 …начинает расти масса корабля…: Ни одно из обычных наших слов здесь не работает, в частности, «раздувается» следует воспринимать лишь как метафору. Космический корабль, — или протон, или любое другое тело — вовсе не расширяется во всех направлениях. Скорее, здесь выходит на первый план представлявшееся нам довольно смутным различие между сохранением материи и сохранением массы — различие, о котором шла речь в главе, посвященной Лавуазье. Если определить массу как присущее любому телу свойство сопротивляться попыткам ускорить его, что мы, собственно, и делаем, когда пытаемся определить его вес, тогда появляется возможность увеличения массы тела без «раздувания» образующей его материи. И пока имеет место увеличения сопротивления попыткам ускорить тело, это требование выполняется.
При малых скоростях нашего привычного мира прирост массы не будет достаточным для того, чтобы его удалось заметить, — именно поэтому предсказания Эйнштейна и показались столь поразительными, — однако по мере того, как тело улетает от нас на скорости, приближающейся к скорости света, этот эффект становится все более явственным. И предсказания Эйнштейна оказываются на редкость точными.
Для того, чтобы рассчитать, насколько увеличится масса данного тела, нужно взять его скорость, возвести ее в квадрат, разделить на квадрат скорости света, вычесть результат деления из единицы, взять квадратный корень этого результата, потом получить величину обратную и умножить ее на массу интересующего нас тела. В символьной записи это выглядит проще: если тело движется со скоростью «v», то для получения его выросшей вследствие этого массы нужно умножить начальную массу тела «m» на 1/√(1-v2/с2).
Чтобы прочувствовать это уравнение, полезно «повертеть» его, используя разного рода экстремальные значения. Если v намного меньше с — т. е. космический корабль движется медленно, — тогда (1-v2/с2) почти не отличается от единицы, поскольку значение v2/с2 очень мало. И ни квадратный корень, ни взятие обратной величины ничем тут не помогут — вы все равно получите число весьма и весьма близкое к 1. У реального, запускаемого из Флориды шаттла максимальная скорость составляет порядка 30000 км/час. Это настолько малый процент скорости света, что масса шаттла возрастает на величину много меньшую одной тысячной процента, — даже когда он со свистом покидает атмосферу на самой большой своей скорости. Однако, если шаттл или что-то еще движется по-настоящему быстро, если v оказывается близкой к с, то (1-v2/с2) становится близким к нулю. А это означает, что квадратный корень этой величины также очень мал, и разделив на него единицу, вы получите величину огромную. Взгляните на тело, которое проносится мимо вас со скоростью, составляющей 99 процентов скорости света, и вы увидите, что масса его возросла во множество раз.
Существует соблазн решить, что это просто какой-то выверт, что мы запутываемся в наших измерениях, а движущееся тело «на самом деле» не становится более массивным в такой степени, что на это явление следовало бы обращать внимание. Однако магнитам, стоящим вдоль колец ускорителя в ЦЕРНе, действительно приходится повышать свою энергию, чтобы удержать разогнанный до большой скорости протон — в противном случае инерция, обусловленная его возросшей массой, заставит его влепиться в стену ускорителя. При скорости в 90 процентов скорости света, энергия, потребная для того, чтобы потяжелевший в 2,5 раза протон не сорвался со своего кругового пути и не врезался в стену, возрастает весьма значительно. Если же скорость возрастает до 99,9997 процента скорости света, 1/√(1-v2/с2) увеличивает скорость протона в 430 раз, что и приводит к проблемам, с которыми сталкивается ЦЕРН, — ему приходится изыскивать способы получения дополнительной энергии без причинения неудобств достойным гражданам Женевы.
